故事GydF4y2Ba

形成在含有纳米管的聚合物中形成的纳米级或微观结构大大提高了电导率:光伏器件的潜在应用GydF4y2Ba

碳纳米管优异的力学性能和电学性能使其成为一种新型的高性能聚合物复合材料。由于最近几年的重要进展,含有聚合物的纳米管已经发展为光电应用。近年来,有研究表明,单壁碳纳米管聚合物复合材料(SWNTs)的纳米和微尺度图案显著提高了薄膜的导电性。纳米化和微结构的SWNT-聚合物复合材料通过印迹诱导对齐和大量互联的SWNT网络。与在典型的混合复合材料中形成的随机网络相比,这些定向网络大大提高了电荷在薄膜厚度上的传输。纳米结构的swnt -聚合物复合材料比微结构的具有更好的电荷转移能力,在光电和光伏器件中具有很好的应用前景。即使在低纳米管浓度(负载)下,高电荷输运也意味着可以开发出一种具有高导电性的swnt聚合物薄膜的生产方法。GydF4y2Ba

作者GydF4y2Ba

主题和标签GydF4y2Ba

介绍GydF4y2Ba

近年来,具有高抗拉强度和导电性的碳纳米管已用于聚合物复合材料以改善其机械和电气性能。结果,纳米管 - 聚合物复合材料已被探索为新的材料。特别地,单壁碳纳米管(SWNT)具有出色的电荷传输,并且作为半导体聚合物的添加剂变得越来越有吸引力,例如聚-3-己基噻吩(P3HT)今天使用的最常见的聚合物之一,或绝缘聚合物,例如聚苯乙烯(PS)GydF4y2Ba[1-3]GydF4y2Ba.GydF4y2Ba

纳米管-聚合物复合材料已被用于生产导电胶粘剂和增强压电聚合物GydF4y2Ba[1-3]GydF4y2Ba.目前利用单壁碳纳米管的设备包括宽带光电探测器、混合和有机太阳能电池、导电光子晶体和用于生物医学的光热复合材料。188bet怎么注册在许多这样的应用中,在聚合物薄膜中形成相互连接的纳米管的连续(渗滤)网络是通过阻止纳米管聚集和促进电荷传输来提高薄膜性能的关键。GydF4y2Ba

最近,已经表明,超快电荷传输容易发生在SWNT和聚合物基质之间的界面处GydF4y2Ba[1-3]GydF4y2Ba.纳米管充当聚合物复合界面和电极之间的电荷输送的高效途径。用于形成电子应用的纳米管网络的许多方法产生随机网络,通常难以再现,产生低效的电荷运输GydF4y2Ba[1-3]GydF4y2Ba.这些方法通常采用溶液的旋转涂层或滴铸法,而不是微尺度或纳米尺度的工程。在聚合物基体中形成一个由相互连接的纳米管组成的连续、渗透性网络对于更好的电荷传输和可靠的电学性能非常重要。为此,在聚合物基体中,如P3HT或PS(见图1)等三维纳米工程SWNT纳米级和微尺度网络阵列,即使在很低的纳米管浓度(负载)和低电压下,也能产生有效的电荷传输。电导率的增加100倍相比,观察到一个随机在半导体聚合物纳米管网络,如P3HT,和1亿倍绝缘聚合物,如PS。此外,SWNT-polymer复合材料与纳米结构压印取得了更大的电导率比微观结构。GydF4y2Ba

这里描述的方法允许形成有序的纳米级和微级连续的、相互连接的SWNT网络域GydF4y2Ba[1-3]GydF4y2Ba.该方法与聚合物复合材料的大面积印迹和卷对卷工艺兼容,使其易于与光电和光伏器件的生产方法一起使用。人们相信下一代混合和有机光伏器件可以由碳纳米管和半导体聚合物制成。GydF4y2Ba

图1:swnt -聚合物复合材料:A)随机网络,B)印迹纳米或微结构中的网络,C)纳米管纳米或微尺度网络的三维视图。GydF4y2Ba

方法和材料GydF4y2Ba

纳米结构和微结构薄膜GydF4y2Ba

单壁纳米管(swnt)大部分是半导体(> 90%),使用时没有任何纯化或掺杂。它们在有机溶剂中被分散和超声处理。GydF4y2Ba

SWNT纳米级和微观网络GydF4y2Ba[1,2]GydF4y2Ba制作方法如下:GydF4y2Ba

  1. 用旋涂形成薄层的纳米管纳米管薄层(电阻率0.002-0.005Ω•cm);GydF4y2Ba
  2. 通过旋转涂层在纳米管上添加一层区域规则的聚3-己基噻吩(P3HT)或聚苯乙烯(PS);和GydF4y2Ba
  3. 然后将所得的SWNT-P3HT或SWNT-PS复合物用由聚二甲基硅氧烷(PDMS)制成的固体模具纳米或微印迹。GydF4y2Ba

PDMS模具由柱子0.4-4μm宽,0.35-1.5μm高,周期性为0.78至6μm。在高于玻璃化转变温度(Tg)的温度下进行印迹GydF4y2Ba[5]GydF4y2BaP3HT或PS(100-200°C)GydF4y2Ba[1,2]GydF4y2Ba,在5至20巴的施加压力下,持续几分钟。GydF4y2Ba

随机SWNT网络是通过将SWNT和P3HT或PS混合在一起的溶液旋转涂覆在硅衬底上的薄膜上产生的。GydF4y2Ba

硅衬底上的薄膜具有不同的纳米管浓度,其范围约为报道的渗滤阈值的100倍GydF4y2Ba[4]GydF4y2Ba(φ≈2-3 wt%)的P3HT中的纳米管高达3 wt%,即0.03 ~ 3 wt%GydF4y2Ba[1,2]GydF4y2Ba.GydF4y2Ba

表征方法GydF4y2Ba

成像纳米和微结构样品GydF4y2Ba

使用光学共聚焦显微镜(Leica DCM8)表征Si上的纳米和微结构SWNT-PS薄膜。来自共聚焦显微镜的图像显示大面积的微结构SWNT-PS样品如图2所示GydF4y2Ba[2]GydF4y2Ba.GydF4y2Ba

图2:用于表征Si的纳米和微结构SWNT-PS膜的成像方法:Leica DCM8在2D(a)和3D形貌上的微结构SWNT-PS膜的微结构SWNT-PS膜的共介质图像(B.)以虚假颜色刻度表示高度;和微结构SWNT-PS膜的Leica DCM8“BrightField”图像(C)。GydF4y2Ba

电气性能GydF4y2Ba

用置于2个电极之间的样品测量Si上的SWNT-PS和SWNT-P3HT薄膜的电导率[1,2]。在SWNT-P3HT膜的顶部和底部之间施加扫描电压,并将所得电流记录为电流 - 电压(I-V)曲线。结果如图3所示。在每个位置的样品上的3个不同位置重复测量。I-V曲线显示出良好的再现性。GydF4y2Ba

图3:Si上纳米结构(纳米网络)、微结构(微网络)和非结构(随机网络)SWNT-PS薄膜的电流电压(I-V)曲线GydF4y2Ba[2]GydF4y2Ba.GydF4y2Ba

结果概述GydF4y2Ba

纳米结构的SWNT-PS样品与微结构和非结构化GydF4y2Ba

结果表明,纳米和微结构的SWNT-PS样品的电导率或电荷转移高达1亿(10GydF4y2Ba8GydF4y2Ba)是非结构(随机网络)SWNT-PS样品的两倍,所有样品都含有类似浓度的纳米管GydF4y2Ba[2]GydF4y2Ba.从图3中可以看出,纳米结构的SWNT-PS样品的电导率近100倍比微结构化SWNT-PS样品大。由于其导电性较高和电荷转移,此处的结果进一步讨论将专注于纳米结构的SWNT聚合物样品。GydF4y2Ba

两种网络的电荷输运机制非常不同,在所有浓度甚至低电压下,结构网络产生欧姆传导和高电导率。高纳米管负载被认为是swnt -聚合物复合材料高效电荷传递和高导电性的最重要参数。结果表明,纳米管在复合材料内部的连通性是影响电荷输运的主要因素。事实上,与纳米管浓度低得多的纳米或微结构样品相比,具有随机网络的非结构样品中的高纳米管负载产生的传导路径效率更低。为了使复合材料导电,非结构样品需要更高的纳米管浓度。高纳米管浓度的缺点是,薄膜生产的材料成本更高,产生聚集体或束的可能性更大,这可能会降低电荷传输,降低器件性能GydF4y2Ba[2]GydF4y2Ba.GydF4y2Ba

纳米结构和非结构SWNT-P3HT薄膜的电导率随纳米管浓度的变化GydF4y2Ba

对纳米管浓度变化较大的样品的测量表明,在所有浓度下,即使在很低的纳米管负载下,也会发生有效的电荷传输,这远低于P3HT通常报道的渗滤阈值(≈2-3 wt%)。GydF4y2Ba

通过增加纳米级网络内的管的互连,大大降低了形成有效电荷转移途径所需的浓度远低于渗透阈值。GydF4y2Ba

电流密度J与电导率σ的关系由欧姆定律给出:GydF4y2Ba

由这个方程可以得到电导率的表达式:GydF4y2Ba

式中E为电场,R为薄膜电阻,I为被测电流,V为施加电压,t为试样厚度,A为电流流过的试样/电极接触面积。188金宝搏的网址样品的电导率使用实验获得的数据和上面的表达式计算。下面的图4显示,在所有浓度(0.03、0.12、0.48和1.5 wt%)低于SWNT-P3HT的渗流阈值时,具有随机网络的非结构样品的电导率几乎相同,近似于纯P3HT的值。即使在很低的纳米管浓度下,纳米结构的SWNT-P3HT也始终比非结构的更导电。因此,通过纳米结构增加纳米管的互联性,可以在低浓度下形成有效的电荷传递路径,远低于之前报道的渗滤阈值。由于纳米管的成本较高,较低的SWNT浓度可以减少纳米管的聚集,并为大规模生产电子应用提供更经济的手段。GydF4y2Ba

图4:非结构化(随机网络;蓝色)和纳米结构(纳米级网络;红)SWNT-P3HT薄膜在1伏特电压下对薄膜中的纳米管浓度进行测量。纳米管的浓度分别为0.03、0.12、0.48、1.5和3.0 wt%。GydF4y2Ba

纳米结构和非结构化SWNT-P3HT薄膜的电气特性GydF4y2Ba

为了更好地了解纳米结构和非结构SWNT-P3HT薄膜的电学特性,可以测量电流密度(J)与电压(V)的函数关系,得到的数据可以拟合为幂律:GydF4y2Ba

式中,J为测量电流密度,V为施加电压。对于对数-对数图,指数a表示直线的斜率,而log(b)表示y轴截距。斜率(A)接近于1表示欧姆传导。以前的工作GydF4y2Ba[1]GydF4y2Ba结果表明,当纳米管浓度为0.03 ~ 3 wt%时,纳米结构薄膜的log(J) -log (V)曲线在1.0 ~ 1.1之间有斜率(a),表明有更多的欧姆传导。相比之下,非结构薄膜的斜率在1.3 ~ 1.9之间,表明欧姆传导较小,电荷传递效率较低。GydF4y2Ba
纯P3HT中的传导被描述为空间电荷受限,电流密度与电压呈二次关系(a = 2)。GydF4y2Ba[1]GydF4y2Ba.非结构化SWNT-P3HT膜(随机网络)的A的值意味着至少部分空间电荷有限的传导,可能来自纳米管之间的差的互连。纳米结构SWNT-P3HT薄膜中的越欧姆传导纳米级网络可以通过形成具有高度互连的许多纳米管的连续路径来解释GydF4y2Ba[1]GydF4y2Ba.GydF4y2Ba

纳米或微结构swnt聚合物薄膜中纳米或微尺度网络的形成机理GydF4y2Ba

在swnt -聚合物薄膜的印迹过程中,通过作用于swnt -聚合物复合材料的剪切力,纳米管被强制进入模腔(见图5)。GydF4y2Ba[1]GydF4y2Ba.在旋转涂层后,纳米管首先取向于基片平面,这是一个主要的二维几何结构。然后,第二层纯聚合物(P3HT或PS)在纳米管上旋转。对于低于3 wt%渗透阈值的纳米管浓度,在印迹前,非结构薄膜的电导率保持在聚合物的典型值(半导体P3HT, σ≈10GydF4y2Ba-3GydF4y2BaS/m或绝缘PS)。通过在复合膜中印迹并形成纳米或微结构(纳米或微尺度SWNT网络)后,P3HT的电导率提高了100倍,PS的电导率提高了1亿倍GydF4y2Ba[1,2]GydF4y2Ba.GydF4y2Ba

图5:纳米级或微级互联纳米管网络的形成机理。A)印前无结构的2层swnt -聚合物复合膜:有腔、膜和基材的模具温度(T)大于玻璃化转变温度(T)GydF4y2BaGGydF4y2Ba)SWNT-聚合物复合材料。b)在压印中,在模具被压制到薄膜和纳米级或微观透视的纳米管网络上的印迹期间SWNT-聚合物膜。箭头表示纳米管和聚合物流入模具的空腔。GydF4y2Ba

印迹后薄膜电导率的显著提高(形成纳米级或微级网络)清楚地表明了纳米管从更平面的方向向更垂直的方向转变。这种纳米管的重新定位很可能是由于熔化的聚合物流入模具的腔体而引起的。在高温下,纳米管会随着软聚合物的流动而被拖动,与非结构薄膜相比,这种现象使得在薄膜厚度上形成更有效的导电路径。GydF4y2Ba

总结GydF4y2Ba

碳纳米管聚合物复合材料由于其优异的力学性能和电学性能,在过去的十年里受到了越来越多的关注。近年来,高导电性纳米管聚合物复合材料的发展引起了人们的广泛关注。GydF4y2Ba

研究表明,由含单壁碳纳米管(SWNTs)的聚合物复合材料制成的纳米级和微米级薄膜显著提高了它们的电性能,即导电性。采用这种印迹方法制备的SWNT-聚合物复合材料的纳米结构和微观结构都产生了排列的、相互连通的SWNT网络。与具有随机、断开网络的非结构薄膜相比,互连的SWNT网络显著提高了电荷在薄膜厚度上的传输。在所有纳米管浓度下,尤其是在渗流阈值以下,具有纳米或微尺度纳米网络的纳米或微结构swnt -聚合物薄膜比具有随机网络的非结构swnt -聚合物薄膜具有更高的电导率。GydF4y2Ba

这种利用印迹技术的新方法使纳米结构或微结构的纳米管-聚合物复合薄膜具有相互连接的纳米级或微级纳米管网络。纳米级或微米级的纳米管网络赋予薄膜增强的电性能,如导电性。该方法可应用于大规模制备纳米管-聚合物复合薄膜的大面积印迹和卷对卷工艺。这些结果应该使这种纳米/微工程技术在混合和有机光伏器件,如太阳能电池中非常有吸引力。GydF4y2Ba

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